王果，張曉，陳曉，劉德江，龔艷

(農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

我國是一個農業(yè)大國,也是農藥使用量大國,目前農業(yè)生產(chǎn)中使用的農藥達200多種,可滿足大多數(shù)病蟲害防治需求。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,“十三五”期間,我國農藥年均使用量27.03萬噸,比“十二五”期間下降了9.84%。2020年,水稻、小麥、玉米三大主糧的農藥有效利用率達到40.6%,比“十二五”末期提升了4個百分點,水稻、小麥、玉米的農藥利用率分別達到41.10%、40.16%、40.75%,平均植保貢獻率分別為16.42%、15.53%、8.56%[1-2],盡管數(shù)據(jù)表明我國的農藥利用率已有顯著提升,但仍然明顯落后于美國、日本等發(fā)達國家。我國植保機械和農藥使用技術狀況嚴重滯后于農藥生產(chǎn)技術的高速發(fā)展,影響病蟲草害的防治效果,導致大量農藥的浪費與環(huán)境污染等嚴重問題[3-4]。

目前我國傳統(tǒng)的植保機械裝備仍主要采用大容量、大霧滴的噴霧需求設計,造成農藥過量不合理使用,導致嚴峻的環(huán)境壓力和農產(chǎn)品農藥殘留超標問題。近年來,隨著信息技術和人工智能的發(fā)展,國家提出精準農業(yè)概念,精準農業(yè)是將傳統(tǒng)農業(yè)生產(chǎn)與信息技術結合,實現(xiàn)農業(yè)智能化管理的一套現(xiàn)代農業(yè)經(jīng)營系統(tǒng)。農藥的精準施用是精準農業(yè)重要的一部分,其主要目標是為減少農藥使用量、提高農藥使用效率、實現(xiàn)農機裝備精準作業(yè)[5]。其中,農藥變量噴霧技術、霧滴飄移防控技術和在線混藥技術是農藥精準施用的三大主要技術,在結合現(xiàn)代信息技術和人工智能的基礎上,實現(xiàn)農藥的精準施用,提高施藥裝備工作效率和農藥利用率、降低農藥使用量,對提升我國植保機械裝備在國際上的競爭力,促進植保機械行業(yè)創(chuàng)新有著重大意義。

本文針對農藥精準施用中的變量噴霧技術、霧滴飄移防控技術、在線混藥技術等方面展開論述,分析了國內外研究學者在這幾方面的研究現(xiàn)狀及裝備的應用情況,指出了當前國內研究存在的問題,并對未來的應用提出展望建議。

1 變量噴霧技術研究現(xiàn)狀

農藥的變量噴霧技術是實現(xiàn)農藥精準施用的重要環(huán)節(jié),通過采集靶標作物的病蟲害嚴重程度、作物冠層形貌和密度等數(shù)據(jù)信息,并結合作業(yè)機具的位置、速度、噴霧壓力等作業(yè)參數(shù)信息,對靶標作物進行按需噴藥的一種施藥技術[6]。變量噴霧整個作業(yè)過程包括識別檢測,形成施藥決策、執(zhí)行施藥決策,是國內外公認的實現(xiàn)農藥減施增效的技術,可有效降低環(huán)境污染,減少農藥殘留,提高農藥使用效率,已成為國內外學者的研究熱點[7]。變量噴霧常用關鍵技術主要有脈寬調制、激光雷達探測、視覺輔助以及相關技術的整合運用。

PWM(Pulse-Width Modulation)全稱脈沖寬度調制,通過調節(jié)輸出直流電壓的脈沖寬度,獲得電壓波形,使用高分辨率計數(shù)器進行計數(shù),當計數(shù)器值小于比較寄存器(CCR)值,輸出低電平;當計數(shù)器值大于比較寄存器值,輸出高電平,在一個脈沖周期內,高電平時間所占的比值稱為占空比。

西北農林科技大學齊闖[8]基于脈寬調制(PWM)的變量控制方法,設計單個噴嘴獨立控制的變量施藥控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以下位機ARDUINO-UNO作為控制器,以弱電控制強電為基本原則,在電磁閥與電源的通路之間添加繼電器模塊,通過控制繼電器的使能信號實現(xiàn)電磁閥開斷,編寫程序控制使能信號的高頻率轉換間接實現(xiàn)電磁閥周期性通斷,利用通斷頻率的精確控制,從而實現(xiàn)同一周期內噴嘴輸出流量不同,達到變量噴霧需求。將設計的變量噴霧系統(tǒng)在噴霧檢測平臺[9]上進行施藥模擬試驗,分別以DC5V和DC12V輸出電源給控制系統(tǒng)開發(fā)板和電磁閥供電,設置0、40%、60%、100%四個占空比變量級別。試驗結果顯示,100%級別施藥量為246.46 mL,60%級別施藥量為215.94 mL,40%級別施藥量為160.94 mL,施藥量有明顯變化趨勢,基本滿足變量施藥需求。

中國農業(yè)大學喬白羽等[10]為提高甘蔗等高莖稈作物的機械化病蟲害防治水平,研制一套基于LiDAR三維掃描和PWM技術的高地隙寬幅噴霧機變量施藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)關鍵部件由激光雷達、PWM變量發(fā)生模塊、PWM變量調節(jié)驅動執(zhí)行模塊、電磁閥、壓力傳感器、流量傳感器、液壓馬達組成。作業(yè)時,首先使用三維LiDAR對高莖稈作物冠層進行掃描,獲取其三維信息和植株高度等特征參數(shù),建立植株高度與施藥量之間的數(shù)學模型,隨后根據(jù)植株高度變化,PWM變量控制器按照給定的占空比產(chǎn)生相應的PWM波用于控制電磁閥驅動器進而控制電磁閥的開關動作,改變各段對應噴桿的噴頭流量,實時調節(jié)噴霧量,實現(xiàn)精準變量施藥。該變量施藥系統(tǒng)在甘蔗地塊進行的試驗表明,激光雷達識別作物株高平均誤差4.59%,最大誤差8.42%,最小誤差0.17%;變量施藥對比常量施藥,用藥量降幅為28.5%,具有明顯的農藥減施效果。

歐美等發(fā)達國家研究團隊及企業(yè)從20世紀90年代起就開展了農藥精準噴施技術的系統(tǒng)性研究與應用,其研發(fā)生產(chǎn)的精準植保機械裝備已有部分商品化產(chǎn)品供應市場。

2007年,美國的Tumbo[11]將變量控制器與地面驅動電動離合器(GDEC)、脈寬調制驅動電機(PWMM)兩套驅動裝備相耦合,量化了響應時間和速率傳輸距離、測定兩套驅動裝備的合適延時時間,進行變量噴霧控制系統(tǒng)的動態(tài)特性測試。其試驗結果表明,在對地速度為7 km/h,不設置延時的條件下,GDEC和PWMM的平均中點響應距離為1.8 m、3.6 m;當GDEC的延時時間分別提高和降低1 s時,對應的平均中點響應距離分別降低0.06 m、增加0.04 m;PWMM的最佳延時時間則分別為提高1 s和降低2 s。由于研制的樣機無法同時兼容兩種不同延時時間,因此試驗將延時時間提高和降低設置為2 s,該研究團隊提出在運用變量控制器進行變量噴霧時,應預留一定的延時緩沖區(qū)。

2002年,美國的Tian[12]研發(fā)設計了一套基于視覺傳感器的智能精準除草施藥系統(tǒng)。該施藥系統(tǒng)集成了實時圖像感知系統(tǒng)和獨立的噴頭控制裝置,通過攝像頭獲取雜草生長密度和形態(tài),并將圖像信息發(fā)送至計算機,生成處方圖,實時控制各噴頭的噴霧量,實現(xiàn)變量噴霧目的。田間試驗結果表明,當機具行進速度在3.2～14 km/h區(qū)間時,圖像識別裝置對田間雜草的識別精確度達到91%,運用該實時傳感器進行精準施藥后,在普通田間條件下,除草劑的潛在使用量可節(jié)約51%～71%,可極大降低農藥的使用量。

綜上可以看出,發(fā)達國家在變量噴霧技術研究方面較早地運用PWM技術、視覺識別技術進行了裝備研制,產(chǎn)學研體系更為完善,相關產(chǎn)品已有較為成熟的市場化運用,并經(jīng)試驗驗證取得了良好的運用效果;我國在變量噴霧領域研究起步較晚,目前研究工作主要以高校等科研機構為主導,取得了一定的研究成果,但與國外研究相比,研究成果尚停留在實驗室階段,產(chǎn)品市場化程度不足,尚未得到規(guī)?；\用。

2 霧滴飄移防控技術研究現(xiàn)狀

飄移是指農藥霧滴在到達靶標的運動過程中因氣流影響而向非預定目標運動的現(xiàn)象,霧滴飄移一般存在飛行飄移及蒸發(fā)飄移兩種主要方式[13],影響霧滴飄移的因素主要有藥液自身特性,霧滴粒徑、噴霧高度、噴霧壓力等施藥參數(shù),溫濕度、風速等氣象因素。已有研究資料表明,影響霧滴飄移和沉降的關鍵性因素為霧滴粒徑[14-15]。目前國內外研究學者在霧滴飄移防控裝備上開展了大量研究工作,并已取得顯著研究成果。

黑龍江八一農墾大學胡軍等[16-17]基于錐形風場防飄機理,設計了一種錐形風場式防飄移裝置,并以錐形風風速、側風風速、噴霧壓力為試驗因素,進行了三因素三水平的霧滴飄移沉積影響驗證試驗。結果表明,三種因素對霧滴沉積特性的影響從大到小依次為：錐形風風速、側風風速、噴霧壓力;側風風速為2 m/s時,在錐形風作用下,霧滴覆蓋率、沉積密度、沉積量分別較無錐形風相比提高了21.9%、26.7%、22.6%,錐形風場可有效提高霧滴的沉降效果;通過響應面優(yōu)化分析,結果表明,當錐形風風速為16.53 m/s、側風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.34 MPa時,霧滴沉積量達到最佳值,為3.14 μL/cm2;當側風風速大于2 m/s時,降低噴霧壓力、增大錐形風速可有效抑制霧滴飄移,從而保證較高的沉積量。

中國農業(yè)大學王俊等[18]探討了雙圓弧罩蓋的防飄移機理,并對其防飄移效果進行了量化研究。該團隊運用CFD仿真技術模擬了雙圓弧罩蓋內部及周圍的噴霧速度場和霧滴運動軌跡,仿真結果顯示,雙圓弧罩蓋的內外圓弧形成的導風道下方產(chǎn)生了高速下降氣流和低速水平氣流,并削弱了后方的渦流強度,在其內外形成垂直向下的速度場,從而防止了霧滴橫向飄移,增加了霧滴沉積量;研究了罩蓋內部噴嘴安裝參數(shù)、噴嘴類型及風速對飄移率的影響,正交試驗和回歸分析結果表明,噴嘴安裝位置和安裝角度與飄移率相關系數(shù)達0.974,呈現(xiàn)高度相關性,噴嘴型號和風速與飄移率相關系數(shù)為0.981,同樣表現(xiàn)為高度相關性。

山東農業(yè)大學梁昭等[19-20]基于霧滴飄移沉積雙峰分布模型和蒙特卡洛預測,設計了可實現(xiàn)短距離風速糾正的智能風幕防飄移試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)主要由防飄風幕、類拉瓦爾導流板、三軸移動噴頭組成。風幕吹出的氣流垂直向下,可加快霧滴的沉降速度,抑制飄移;類拉瓦爾導流板可形成拉瓦爾效應氣流通道,起到阻擋并糾正側向風作用;三軸移動噴頭置于風幕前方,實現(xiàn)三自由度移動,通過風速預測和模糊控制算法,調控噴頭與風幕的不同距離。該團隊進行了防飄試驗系統(tǒng)的室內試驗,結果表明,類拉瓦爾導流板使霧滴沉降區(qū)域內的風向糾正為正向橫風,增加目標區(qū)域內的霧滴沉積量,與防飄效果最佳的常規(guī)固定風幕系統(tǒng)相比,沉積效果提升了29.53%;對于靜電噴霧的荷電霧滴,飄移沉積的雙峰沉積比相對于效果最佳的常規(guī)風幕降低了33.18%,沉積尾長降低了20.45%;與無風速預測的風幕系統(tǒng)相比,該風幕防飄系統(tǒng)的霧滴飄移沉積的雙峰沉積比下降28.07%,沉積尾長縮短28.4 cm;模糊控制算法使飄移雙峰沉積比下降8.8%,沉積尾長降低34.6%。

歐美等發(fā)達國家研究學者高度關注霧滴飄移引起的環(huán)境污染和農產(chǎn)品安全等問題,較早開展了針對霧滴飄移問題的探索和研究。針對霧滴飄移控制部件,國外的噴霧部件生產(chǎn)企業(yè)研制了各種防飄移噴頭,典型的防飄移效果較好的有德國的AI系列氣吸式噴頭、AD系列防飄移噴頭,美國的XRC系列延長扇形噴頭、AIXR系列氣吸型噴頭。

2019年西班牙的Eduard等[21-22]首次針對果園風送式噴霧機上標準空心錐噴頭和防飄空心錐噴頭,進行了基于激光雷達探測(LiDAR)技術的潛在防飄(DPR)特性評估測試。試驗結果表明,標準空心錐噴頭和防飄空心錐噴頭的DPR值介于88.6%～93.6%之間,具有良好的防飄移效果,且將相位多普勒粒度儀(PDPA)獲得的粒徑參數(shù)V100與LiDAR信號關聯(lián),實現(xiàn)LiDAR自動對飄移霧滴的觀測;該團隊針對上述兩種空心錐噴頭進行了桃園噴霧的防飄移效果檢測試驗。田間試驗結果顯示,激光探測雷達測得的DPR值為56.7%,運用LiDAR技術可實時快速反饋田間噴霧作業(yè)霧滴的飄移狀況,客觀定量地評估噴頭的潛在防飄移特性。

希臘的Bourodimos等[23]于2019年在原有的TOPPS-Prowadis飄移評估模型基礎上,通過預設溫濕度、風速、風向等氣象參數(shù)的范圍,開發(fā)了一套適用于葡萄園的噴霧飄移風險評估預測模型。該風險預測模型將霧滴飄移分為低中高三個風險等級,田間噴霧試驗結果表明,在機具作業(yè)時,該模型可根據(jù)所預設的氣象參數(shù)范圍,結合實時環(huán)境氣象參數(shù)值,準確做出潛在飄移風險等級的預判;此外,用戶可根據(jù)果園所在地氣象參數(shù)經(jīng)驗值,可對劃分飄移風險等級的氣候參數(shù)范圍進行調整,根據(jù)模型做出的“低風險”預判,合理規(guī)劃施藥作業(yè),避開霧滴飄移“高風險”的氣象參數(shù)和時間,降低霧滴飄移產(chǎn)生的環(huán)境污染和人身安全風險。

國內外團隊在霧滴飄移防控領域研究現(xiàn)狀表明,一方面可在施藥時選用具備防飄特性的噴頭從藥液霧化環(huán)節(jié)解決飄移問題,降低霧滴潛在飄移概率;另一方面,在常規(guī)噴霧裝備上增設特殊防飄移裝置,通過增加輔助氣流或改變霧滴運動軌跡的方式,來削弱自然風對霧滴在向靶標傳遞過程中的影響,從而達到防飄目的;此外,國外學者從氣象因素對飄移的影響角度進行飄移風險預測,具有較高的實用意義,在作業(yè)前進行預判,可最大程度規(guī)避飄移風險。

3 在線混藥技術研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的植保機械中,藥劑、助劑、水的混合方式采用的是預混式,即預先將藥劑、助劑、水按照一定配比方案進行混合,再加入機具藥箱。預混式混藥存在較多弊端,首先容易形成藥劑和水混合不勻的現(xiàn)象;而且混藥操作時,作業(yè)人員與農藥直接接觸,帶來嚴重健康安全風險;另外,藥液預先按照配藥濃度配制,無法實時調控藥液濃度,且作業(yè)結束后藥箱內殘余藥液的處理也存在較大風險。在線混藥采用藥箱和水箱分開設置的方式,實現(xiàn)藥、水獨立存放,作業(yè)時根據(jù)所需配比濃度,實時在線混合,達到藥液標準化、精準化施用,降低環(huán)境污染風險和人身安全隱患。

華南農業(yè)大學楊洲等[24-26]在線混藥和靜電噴霧技術,研制了一種果園在線混藥型靜電噴霧機,設計了在線混藥系統(tǒng),并進行了在線混藥均勻性與穩(wěn)定性試驗。試驗結果表明,在線混藥均勻性和穩(wěn)定性最大變異系數(shù)分別為4.46%、3.51%,具有良好的混藥性能。

南京林業(yè)大學徐幼林等[27-28]設計了一種旋動式射流混藥器,并進行混藥器流場數(shù)值模擬,并基于像素變異系數(shù)α和均勻性指數(shù)β的均勻性評價指標,進行了混合脂溶性農藥的變工況在線混藥試驗,評價該混藥器混合均勻性。試驗表明,混合比一定條件下,流量越大,混合均勻性越高;在流量為2 400 mL/min時,不同的混合比均能得到最佳均勻性;流量介于2 000～2 400 mL/min之間時,可以完成不同混合比條件下藥與水的均勻混合;流量介于800～2 000 mL/min時,可完成較高混合比條件下的藥水均勻混合;流量低于800 mL/min時,基本無法完成各種混合比的藥水均勻混合。

國外對在線混藥的研究起步時間早于國內,早在1970年就提出了農藥在線混藥的概念,20世紀90年代初,研制了基于壓縮空氣的農藥直接注入系統(tǒng),由操作者根據(jù)機具行進速度調節(jié)水箱和藥箱空氣壓力,實現(xiàn)藥液的在線混合。近年來,隨著CFD仿真技術的發(fā)展與運用,國外研究團隊開發(fā)設計了多種新型在線混藥裝置,并通過仿真與試驗,驗證了混藥效果。

伊朗的Hosseini等[29]基于CFD仿真技術,研究了兩種混溶液體在新型翼片式靜態(tài)混藥器中的流動和混合形態(tài),以壓降比、變異系數(shù)、外延效率來評價能耗、混合均勻度、分散混合性能,并與另外三種靜態(tài)混藥器(Kenics、Komax、SMX)進行混藥效果對比。仿真與試驗表明,新型翼片式混藥器的壓降比在相同條件下比SMX混藥器低45%;混藥效率和延伸效率高于另外三種混藥器,混合均勻度變異系數(shù)低于另外三種混藥器,該新型混藥器較其他混藥器有更佳的混藥效果。

印度的Saravanan等[30]開展了針對圓柱形藥箱的射流混藥器混合過程流體動力學仿真分析,并基于噴嘴直徑、噴射位置、射流速度等參數(shù),來研究評價對混藥效果的影響。仿真及試驗結果表明,射流混藥器在同一幾何排列下,射流噴嘴直徑對藥液混合效果起到較大影響作用,該團隊的研究結果為射流混藥的設計制造提供了流體動力學方面的理論依據(jù)。

在線混藥技術提供了一種更安全、環(huán)保、精準的農藥施用方案,而混藥器的設計和優(yōu)化決定了藥液混合質量和噴灑質量,國外研究團隊主要針對新型混藥器進行了設計和優(yōu)化工作,提升了藥劑混合均勻度、穩(wěn)定性等參數(shù)指標;相較于起步較早的國外團隊,我國研究團隊在混藥器設計、在線混藥裝備性能評估方面取得了一定進展,得到了較好的藥液穩(wěn)定性和均勻性,并通過新型混藥器試驗驗證了不同流量對混藥均勻性的影響差異。

4 存在問題

以變量噴霧、霧滴飄移防控和在線混藥為主的農藥精準施用技術可有效降低傳統(tǒng)施藥方式帶來的環(huán)境污染、農殘超標、人身危害等一系列作業(yè)風險,促進農藥高效、安全、精準施用,但由于我國農藥精準施用的概念提出較晚,傳統(tǒng)施藥裝備保有量大,且農業(yè)生產(chǎn)模式地域性差異顯著,使得國內在農藥精準施用方面與發(fā)達國家存在明顯差距,主要表現(xiàn)在以下方面。

1) 專用傳感器的技術自主化程度較低。精準施藥裝備專用傳感器產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)較少,目前主要以進口國外產(chǎn)品為主,傳感器關鍵技術的研發(fā)投入不夠。

2) 精準施藥裝備輕簡化程度不夠。當前現(xiàn)有的農藥精準施用裝備處于技術探究階段,裝備結構較復雜,操作較繁瑣,機具作業(yè)精度和作業(yè)質量有待進一步提高。

3) 精準施藥技術與農藥劑型、作物種植模式、氣象條件的結合研究尚不足。當前對于精準施藥裝備的研究處于技術集成階段,研究側重于提升裝備的適用性及智能化程度,對實際生產(chǎn)應用中農藥劑型、特定作物種植模式及作業(yè)現(xiàn)場氣候條件的影響尚缺乏系統(tǒng)性的關注及研究。

5 展望

隨著對農業(yè)環(huán)境要求和農產(chǎn)品質量安全需求的不斷提升,農藥精準施用技術已受國內外高校、植保裝備生產(chǎn)制造企業(yè)的廣泛關注,成為研究熱點。本文結合前述的研究現(xiàn)狀,并針對上述存在問題,對我國精準施藥裝備的發(fā)展提出以下幾點展望。

1) 加大基礎研究的投入。針對傳感器技術、控制理論技術等基礎理論,加大研究投入力度。開展農藥精準施藥專用關鍵部件、傳感技術的研發(fā)及精準施藥算法研究,研制專用控制系統(tǒng)模塊,提升關鍵技術和部件的國產(chǎn)化水平,加大應用及推廣。

2) 推動裝備輕簡化、模塊化發(fā)展。農作物不同種類、不同種植模式、不同生長期所適用的施藥裝備有較大差異性,制定實施相關標準,根據(jù)植保施藥裝備的分類,開發(fā)研制標準化、通用化的精準施藥控制模塊,配置通用數(shù)據(jù)傳輸接口,實現(xiàn)在同一類型施藥裝備上的通用性和互換性,降低研發(fā)生產(chǎn)成本。

3) 促進多學科融合交叉。病蟲害防治涉及了農機、農藝栽培種植、農藥等不同學科領域的交叉融合,精準施藥裝備應充分結合農藝要求、農藥劑型特性及作業(yè)現(xiàn)場氣象條件,進行作業(yè)決策。對于采用復合種植、套種模式的作物,需提高霧滴飄移監(jiān)測的靈敏度和準確度;對于不同劑型的農藥在線混藥裝備,需提高流量監(jiān)測和管路堵塞等故障報警的響應速度,提升作業(yè)過程中的故障響應反饋效率,提高作業(yè)精度與質量。